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敘述工業以太網技術與系統的構成?
日期:2021-11-23 人氣:15 收藏

      工業以太網技術具有穩定可靠、通信速率高、軟硬件產品豐富、應用廣泛和支持技術成熟等優點,已成為當下深受歡迎的通信網絡。隨著網絡技術的發展,以太網進入了控制領域,形成了新型的以太網控制網絡技術。這主要是由于工業自動化系統向分布化、智能化控制方面發展,開放的、透明的通訊協議是必然的要求。以太網技術引入工業控制領域,技術優勢非常明顯:
      (一)Ethernet是全開放、全數字化的網絡,遵照網絡協議不同廠商的設備可以很容易實現互聯。
      (二)以太網能實現工業控制網絡與企業信息網絡的無縫連接,形成企業級管控一體化的全開放網絡。
      (三)軟硬件成本低廉,由于以太網技術已經非常成熟,支持以太網的軟硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持,有多種軟件開發環境和硬件設備供用戶選擇。
      (四)通信速率高,隨著企業信息系統規模的擴大和復雜程度的提高,對信息量的需求也越來越大,有時甚至需要音頻、視頻數據的傳輸,當前以太網的通信速率為10M、100M的快速以太網開始廣泛應用,千兆以太網技術已經成熟,10G以太網也已經開發出來,其速率比現場總線快很多。
      (五)可持續發展潛力大,在這信息瞬息萬變的時代,企業的生存與發展將很大程度上依賴于一個快速而有效的通信管理網絡,信息技術與通信技術的發展將更加迅速,也更加成熟,由此保證了以太網技術不斷地持續向前發展。
      系統構成
      選擇正確的工業以太網要考慮哪些因素?簡單的來說,要從工業以太網通訊協議、電源、通信速率、工業環境認證考慮、安裝方式、外殼對散熱的影響、簡單通信功能和通信管理功能、電口或光口的考慮。信號強弱、端口設置、出錯報警、串口使用、主干(TrunkingTM)冗余、環網冗余、服務質量(QoS)、虛擬局域網(VLAN)、簡單網絡管理協議(SNMP)、端口鏡像等等其他工業以太網網管交換機中可以提供的功能。
      從快速生成樹冗余(RSTP)、環網冗余(RapidRingTM)到主干冗余(TrunkingTM),工業以太網設備包括:工業以太網集線器,非網管型工業以太網交換機,網管型工業以太網交換機,網管型環網冗余交換機。高級的網管型冗余交換機提供了一些特殊的功能,特別是針對有穩定性、安全性方面嚴格要求的冗余系統進行了設計上的優化。構建冗余網絡的主要方式主要有以下幾種,STP、RSTP;環網冗余RapidRingTM以及Trunking。
1. 工業以太網 STP及RSTP
        STP(Spanning Tree Protocol,生成樹算法,IEEE 802.1D),是一個鏈路層協議,提供路徑冗余和阻止網絡循環發生。它強令備用數據路徑為阻塞(blocked)狀態。如果一條路徑有故障,該拓撲結構能借助激活備用路徑重新配置及鏈路重構。網絡中斷恢復時間為30-60s之間。RSTP(快速生成樹算法,IEEE 802.1w)作為STP的升級,將網絡中斷恢復時間,縮短到1-2s。生成樹算法網絡結構靈活,但也存在恢復速度慢的缺點。
2. 工業以太網環網冗余
      為了能滿足工控網絡實時性強的特點,RapidRing孕育而生。這是在工業以太網網絡中使用環網提供高速冗余的一種技術。這個技術可以使網絡在中斷后300ms之內甚至20ms之內自行恢復。并可以通過工業以太網交換機的出錯繼電連接、狀態顯示燈和SNMP設置等方法來提醒用戶出現的斷網現象。這些都可以幫助診斷環網什么地方出現斷開。
      RapidRingTM也支持兩個連接在一起的環網,使網絡拓樸更為靈活多樣。兩個環通過雙通道連接,這些連接可以是冗余的,避免單個線纜出錯帶來的問題。
3. 工業以太網主干冗余
      將不同交換機的多個端口設置為Trunking主干端口,并建立連接,則這些工業以太網交換機之間可以形成一個高速的骨干鏈接。不但成倍的提高了骨干鏈接的網絡帶寬,增強了網絡吞吐量,而且還還提供了另外一個功能,即冗余功能。如果網絡中的骨干鏈接產生斷線等問題,那么網絡中的數據會通過剩下的鏈接進行傳遞,保證網絡的通訊正常。Trunking主干網絡采用總線型和星型網絡結構,理論通訊距離可以無限延長。該技術由于采用了硬件偵測及數據平衡的方法,所以使網絡中斷恢復時間達到了新的高度,一般恢復時間在20ms以下。
      具體設備
      集線器----相信絕大多數人都熟悉集線器。很多人使用這種簡易設備去連接各種基于以太網的設備,如個人計算機,可編程控制器等。集線器接收到來自某一端口的消息,再將消息廣播到其它所有的端口。對來自任一端口的每一條消息,集線器都會把它傳遞到其它的各個端口。在消息傳遞方面,集線器是低速低效的,可能會出現消息沖突。然而,集線器的使用非常簡單-實際上可以即插即用。集線器沒有任何華而不實的功能,也沒有冗余功能。
      交換機網管型----以太網連接設備發展的下一代產品是網管型交換機。相對集線器和非網管型交換機,網管型交換機擁有更多更復雜的功能,價格也高出許多-通常是一臺非網管型交換機的2~3倍。網管型交換機提供了更多的功能,通??梢酝ㄟ^基于網絡的接口實現完全配置。它可以自動與網絡設備交互,用戶也可以手動配置每個端口的網速和流量控制。一些老設備可能無法使用自動交互功能,因此手動配置功能是必不可缺的。
      絕大多數網管型交換機通常也提供一些高級功能,如用于遠程監視和配置的SNMP(簡單網絡管理協議),用于診斷的端口映射,用于網絡設備成組的VLAN(虛擬局域網),用于確保優先級消息通過的優先級排列功能等。利用網管型交換機,可以組建冗余網絡。使用環形拓撲結構,網管型交換機可以組成環形網絡。每臺網管型交換機能自動判斷最優傳輸路徑和備用路徑,當優先路徑中斷時自動阻斷(block)備用路徑。
      交換機非網管型----集線器的發展產生了一種叫非網管型交換機的設備。它能實現消息從一個端口到另一個端口的路由功能,相對集線器更加智能化。非網管型交換機能自動探測每臺網絡設備的網絡速度。另外,它具有一種稱為"MAC地址表"的功能,能識別和記憶網絡中的設備。換言之,如果端口2收到一條帶有特定識別碼的消息,此后交換機就會將所有具有那種特定識別碼的消息發送到端口2。這種智能避免了消息沖突,提高了傳輸性能,相對集線器是一次巨大的改進。然而,非網管型交換機不能實現任何形式的通信檢測和冗余配置功能。

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